При растяжении или деформации полимеры с памятью формы возвращаются к своей первоначальной форме под воздействием тепла или света. Эти материалы очень перспективны для мягкой робототехники и интеллектуальных биомедицинских устройств, но до сих пор они не могли накапливать достаточно энергии. Теперь исследователи из Стэндфордского университета (США) разработали полимер с памятью формы, который хранит почти в шесть раз больше энергии, чем предыдущие версии, сообщает пресс-служба Американского химического сообщества. Подробнее разработка описана в журнале ACS Central Science.
Полимеры с памятью формы могут изменять форму и затем возвращаться в исходное состояние. Деформированное состояние создается за счет растяжения полимера и удерживается на месте за свет изменений на молекулярном уровне – например, за счет кристаллизации. Затем – под действием тепла или свет – полимер может вернуться в исходную форму благодаря высвобождению накопленной энтропийной энергии. Но ученым было сложно заставить эти полимеры выполнять энергоемкие задачи. В этой работе ученые хотели разработать новый тип полимера с памятью формы, который растягивается до стабильного, сильно вытянутого состояния, что позволяет ему выделять большое количество энергии при возвращении в исходную форму.
Исследователи включили звенья 4-, 4’-метиленбисфенилмочевины в основную цепь полимера полипропиленгликоля. В исходном состоянии цепи полимера были запутаны и неупорядочены. Растяжение заставляло цепи выравниваться и образовывать водородные связи между группами мочевины, создавая надмолекулярные структуры, которые удерживали сильно удлиненное состояние. Нагревание привело к разрыву связей и сжатию полимера до своего исходного неупорядоченного состояния.
В ходе испытаний полимер растягивался до пяти раз сильнее по сравнению с исходной длиной и накапливал до 17,9 Дж/г энергии – почти в шесть раз больше энергии, чем предыдущие полимеры с памятью формы. Команда продемонстрировала, что растянутый материал при нагревании может использовать эту энергию для подъема предметов в 5000 раз больше собственного веса.
Они также сделали искусственную мышцу, прикрепив предварительно растянутый полимер к руке деревянного манекена. При нагревании материал сжимался, заставляя манекен сгибать руку в локте. По словам исследователей, помимо рекордно высокой плотности энергии, полимер с памятью формы не требует больших затрат (сырье стоит около 11 долларов за полкилограмма) и прост в производстве.
[Фото: ADAPTED FROM ACS CENTRAL SCIENCE 2021]
